基于海藻酸钠的碳气凝胶材料的制备及结构性能研究

引言 (1)

第一章绪论 (2)

1.1 气凝胶材料 (2)

1.1.1 气凝胶简介 (2)

1.1.2 碳气凝胶的制备 (3)

1.1.3 碳气凝胶的应用 (4)

1.2海藻酸的结构性能及应用 (5)

1.2.1海藻酸的分子结构 (5)

1.2.2海藻酸盐的性能 (6)

1.2.3海藻酸盐的应用 (7)

1.3 燃料电池的简介 (8)

1.3.1 燃料电池的分类 (8)

1.3.2质子交换膜燃料电池工作原理 (9)

1.3.3 质子交换膜燃料电池阴极催化剂 (10)

1.3.4 燃料电池系统[49] (11)

1.4 锂离子电池 (12)

1.4.1 锂离子电池简介 (12)

1.4.2 锂离子电池的负极材料 (12)

1.5 本论文的目的与意义 (13)

第二章碳气凝胶的制备及对有机溶剂的吸附性能 (14)

2.1 引言 (14)

2.2 实验原料与仪器 (14)

2.3 实验方法 (15)

2.3.1 碳气凝胶的制备 (15)

2.3.2 表征 (15)

2.3.3 碳气凝胶材料对有机溶剂吸附性能的测试 (15)

2.4 结果与讨论 (16)

2.4.1 碳气凝胶的宏观及微观结构 (16)

2.4.2 XRD分析结果 (17)

2.4.3 比表面积及孔分布测试分析结果 (18)

2.4.4 碳气凝胶材料对有机溶剂吸附性能分析 (19)

2.4.5 本章小结 (20)

第三章金属碳气凝胶制备ORR催化剂及其结构性能研究 (21)

3.1 引言 (21)

3.2 实验原料与仪器 (22)

3.3 纳米钴碳气凝胶制备ORR催化剂及其结构性能研究 (23)

3.3.1海藻酸钴石墨烯气凝胶材料的制备 (23)

3.3.2 氮掺杂纳米钴海藻酸石墨烯碳气凝胶复合材料的制备 (23)

3.3.3 其他对比材料的制备 (24)

3.3.4 工作电极的制备及电化学性能测试方法 (25)

3.3.5 样品的表征 (26)

3.3.6 结果与讨论 (26)

3.3.7 电化学性能测试结果及分析 (31)

3.4 纳米铜碳气凝胶制备ORR催化剂及结构性能初步探究 (39)

3.4.1 海藻酸铜石墨烯气凝胶的制备 (39)

3.4.2 氮掺杂纳米铜海藻酸石墨烯碳气凝胶复合材料的制备 (39)

3.4.3 样品的X-射线衍射表征 (39)

3.4.4 样品的电化学性能测试结果及分析 (40)

3.5 纳米镍碳气凝胶制备ORR催化剂及结构性能初步探究 (44)

3.5.1 海藻酸镍石墨烯气凝胶的制备 (44)

3.5.2氮掺杂纳米镍海藻酸石墨烯碳气凝胶复合材料的制备 (44)

3.5.3 样品的X-射线衍射表征 (44)

3.5.4 样品的电化学性能测试结果及分析 (45)

3.6 本章小结 (48)

第四章碳气凝胶作为锂离子电池负极材料的性能初探 (49)

4.1 引言 (49)

4.2 实验原料与仪器 (49)

4.3 实验方法 (50)

4.3.1碳气凝胶的制备 (50)

4.3.2碳气凝胶的活化 (50)

4.3.3电极的制备和电池的装配 (50)

4.4锂离子电池负极材料性能测试及结果分析 (51)

4.4.1 比表面积测试及孔径分布 (51)

4.4.2 碳气凝胶的锂电性能 (52)

4.4.3 活化碳气凝胶的锂电性能 (53)

4.5 本章小结 (54)

结论 (55)

参考文献 (56)

攻读学位期间的研究成果 (63)

致谢 (64)

学位论文独创性声明 (65)

学位论文知识产权权属声明 (65)

引言

当今社会，经济迅速发展，科技日新月异，从各个方面影响着人们的生活物质水平。但是，人口急剧增加、能源日渐短缺、环境恶化也随之而来，这些问题严重影响到了人们的生活质量、身体健康和社会的可持续发展。因此，除了对技术的追求以外，我们还应该特别注重技术的环保性及环境的治理和保护。

包括石墨烯、碳纳米管、纳米炭纤维、碳气凝胶在内的纳米碳材料一直是近些年来国际科学领域的前沿领域。碳材料是由碳元素以不同结合态组合而成的，并且新型碳纳米材料——碳气凝胶，是一种独特的碳材料，其比表面积大、有丰富的孔隙结构、密度可以调节。并且，更为重要的是，因为碳气凝胶材料在电学、热学和催化性能等方面具有非常独特的性能，从而使其在军事、航天、环保、能源和医药等方面有很大的应用潜力。传统碳气凝胶[1]的制备方法是间苯二酚和甲醛在水溶液中发生溶胶-凝胶，然后使用液态二氧化碳超临界冷冻干燥，最后在惰性气体氛围中热解[1]。但是，这种方法制备的碳气凝胶其密度相对来说都是比较高的，可以达到100-800 mg cm-3。使用化学气相沉积[2]的方法制备碳纳米管和石墨烯海绵，这种方法可以制备出密度极低的碳气凝胶。但是其合成过程产生有害物质，需要的前驱体比较昂贵且对设备的要求也比较高，这些问题很大程度的阻碍了碳气凝胶的大规模工业化生产。最近，报道出一种以葡萄糖作为前驱体使用水热碳化过程合成高强度碳基纳米纤维气凝胶的方法[3]，然而，在此合成过程中使用的纳米线模板是非常昂贵的。因此，以来源丰富且价格低廉的原料以简易、经济和环保方法制备碳气凝胶是非常必要的。

近年来，随着对海洋的开发，海洋生物质资源也日益收到人们的关注，因为海洋生物质材料来源丰富、价格低廉、容易获得并且对身体无害。海藻酸钠是从褐藻中提取出来的一种天然的高分子多糖聚合物，其有一种非常独特的性质就是可以非常简单且快速的形成水凝胶，把水凝胶冷冻干燥后即可获得气凝胶，气凝胶进一步碳化之后得到碳气凝胶。

本文便是以海藻酸钠为原料，制备碳气凝胶材料，对其进行活化处理，作为锂离子电池负极材料；并以海藻酸钠石墨烯为原料，引入金属前驱体制备氮掺杂金属碳气凝胶复合材料，作为燃料电池阴极催化剂材料。